«Железный» истребитель Мельникова
«Железный» истребитель Мельникова
Перед тем как выложить данную статью, я хочу выразить слова признательности глубокоуважаемому коллеге vasia23 за цветной профиль.
Содержание:
В 1930-х годах в Советском Союзе проводилась целеустремлённая работа по широкому применению в самолётостроении легированных сталей. Было построено несколько типов опытных и серийных самолётов, в которых основным конструкционным материалом силовых элементов являлась листовая нержавеющая сталь или трубы из хромансилевой стали. Предполагалось, что применение таких конструкций позволит значительно увеличить срок службы самолётов.
Примером первого рода были лёгкие пассажирские самолёты «Сталь-2» и «Сталь-3» Путилова, в которых применялась нержавеющая сталь «Энерж-6» в виде тонкого листового проката. Из гофрированных стальных листов с помощью сварки выполнялись трубчатые элементы силового набора. Самолёты соответствовали своему назначению, но надежды на особо длительные сроки службы не оправдались. Сама нержавеющая сталь могла служить десятки лет. Однако точки сварки, соединительные болты, заклёпки и пистоны ржавели, а полотняная обшивка требовала достаточно частой замены. Поэтому самолёты «Сталь» должны были проходить ремонт, как и всякие другие. Однако разработка методов сварки и обращения с нержавеющей сталью была крупным достижением.
В ряде других самолётов («Сталь-6» и «Сталь-7» Бартини, «Сталь-11» Путилова) применялся силовой каркас из стальных труб в сочетании с фанерной или полотняной обшивкой. В контексте темы данной статьи особый случай представлял собой самолёт «Сталь-МАИ», созданный под руководством П. Д. Грушина и выпущенный в 1934 г. Его фюзеляж представлял собой единственный в своём роде стальной полумонокок. Это был первый самолёт в мире, сделанный почти полностью из стали Энерж-6, включая тонкую листовую обшивку.
В 1938-1940 годах попытку создания самолёта сходной цельностальной конструкции предпринял инженер авиазавода №81 А. Мельников, разработав в инициативном порядке проект истребителя. По его мысли, применение вместо дюралюминия чёрного металла, «имеющегося в Союзе в неограниченном количестве», должно было обеспечить возможность серийного производства такого истребителя в более короткий срок и в массовых количествах и устранить зависимость от наличия дефицитного сырья. В апреле 1938 года Мельников послал Наркому Оборонной Промышленности М. М. Кагановичу свой проект истребителя «из железа» с расчётом на прочность крыла и фюзеляжа. Как писал позже сам Мельников,
«проект получил очень хороший отзыв с технологической стороны (признан как образец для рассылки главным конструкторам). Однако необычный материал, из которого я предлагал строить самолёт (железо), вызвал сомнения. Нарком оборонной промышленности тов. КАГАНОВИЧ предложил сделать один какой-нибудь агрегат и испытать».
Мельников и его группа построили и испытали 15 образцов малого размера, однако до опытной постройки целого фюзеляжа дело так и не дошло, чему, в частности, помешало последующее назначение Мельникова ведущим инженером по испытаниям самолёта Яценко (надо понимать, истребителя И-28).
Мельников исходил из применения в конструкции своего истребителя так называемой «мягкой стали» марки Сталь 6 или Д.С. (последняя марка – это сталь для конструкций фундамента начатого в ту пору строительством Дома Советов). Предлагая строить истребитель из углеродистой стали, Мельников утверждал, что это не только не приведёт к перетяжелению конструкции, но даже позволит облегчить её на 4-5%.
В начале 1940 г. А. Мельников (к тому времени занимавший должность начальника группы прочности и статических испытаний отдела 3 завода № 81) доработал и передал на рассмотрение военным и в НКАП эскизный проект
«бронированного истребителя из чёрной стали (железо)».
Проект не имел специального обозначения. Согласно объяснительной записке Мельникова, датированной 7 февраля 1940 г. [1],
«основной принцип, которому в проекте подчинено всё, это скорость».
Проектные данные были весьма высокими для того времени. Расчётная максимальная скорость составляла ни много ни мало 770 км/час. Достичь этого автор проекта предполагал путём сочетания мощного двигателя с использованием ряда аэродинамических средств. К ним относилось уменьшение потерь на трение за счёт сокращения обтекаемой поверхности и обеспечения хорошей отделки поверхности. Применение чёрного металла, как считал автор проекта, позволяло добиться отделки поверхности такой же, как на автомобиле ЗИС-101, т.е. значительной лучшей по сравнению с самолётами того времени. Уменьшению трения должно было послужить и использование крыла малого удлинения (4,5) с увеличенной хордой. Фюзеляжу придавалась круглая в сечении (веретенообразная) форма, что, по мысли Мельникова, давало минимальную поверхность и наибольшую прочность при минимальном весе.
Истребитель был задуман в двух вариантах – с двигателем воздушного охлаждения М-90 и с двигателем жидкостного охлаждения М-100. О двигателях нужно сказать несколько слов. Мотор М-90 проектировался с весны 1939г. под руководством С. К. Туманского, а затем Е. В. Урмина. Этот 18-цилиндровый двигатель по схеме «двухрядная звезда» имел по заданию мощность 1500/1950 л.с., проектную 2000 л.с.. Первый опытный М-90 вышел на стендовые испытания 29 ноября 1939 года, а к весне 1940 г. испытывалось уже несколько экземпляров. В последующем, однако, этот двигатель так и не удалось довести до серийного производства, а фактически достигнутая мощность не превысила 1750 л.с.. В проекте Мельникова для расчётов было взято значение мощности 1500-1600 л.с. на разных высотах. Что касается М-100, то в своём базовом варианте этот двигатель – лицензионное воспроизведение французского мотора Испано-Сюиза 12Ybrs – строился серийно и в варианте М-100А имел мощность770/860 л.с. (то есть примерно вдвое меньше, чем М-90 по проекту). При этом для истребителя Мельникова требовался пушечный вариант М-100 (М-100П), модифицированный под установку 20-мм пушки ШВАК. Опытный М-100П проходил в 1936-1938 годах лётные испытания на опытном истребителе И-17бис.
Упомянутые выше «варианты» истребителя Мельникова по сути представляли собой два самостоятельных проекта, хотя и объединённые рядом общих элементов. Таковые включали использование стали как основного конструкционного материала, крыло эллиптической в плане формы, круглое сечение фюзеляжа, шасси с носовым колесом, одинаковое хвостовое оперение. Различия же, помимо силовой установки, касались аэродинамической компоновки самолёта и набора вооружения.
Истребитель с двигателем М-90
Истребитель с двигателем М-90 (основной вариант) представлял собой среднеплан. Его вооружение составляли четыре крупнокалиберных пулемёта Березина, установленные в фюзеляже (то есть, синхронные), с боекомплектом по 250 патронов на ствол. В перегрузочном варианте они дополнялись установкой двух мелкокалиберных пулемётов ШКАС в отъёмных частях крыла.
Машина с двигателем М-90 имела фюзеляж круглого сечения, обтекаемость которого обеспечивалась применением огромного кока на втулке воздушного винта в сочетании с внутренним обтекателем на удлинённом носке мотора. Развитый кок винта плавно переходил во внутренний обтекатель, который образовывал с лобовым капотом узкую кольцевую щель для входа охлаждающего воздуха. Автор проекта писал:
«В предлагаемом проекте капот NACA заменён новым капотом с удлинённым носом, что значительно снизит лобовое сопротивление фюзеляжа и даст прирост скорости – 20 км/ч».
Геометрические данные самолёта включали размах крыла – 8,4 м, удлинение крыла – 4,2 (в другом месте проекта – 4,5), площадь крыла – 16,76 м кв., среднюю хорду 2,0 м, длину фюзеляжа 8,3 м, диаметр фюзеляжа 1,3 м. Профиль крыла: у корня – 23012 NACA, у конца -2409 NACA. Средняя толщина профиля – 11%. Весовые данные: полётный вес 2550 кг, полезная нагрузка -540 кг, нагрузка на квадратный метр крыла – 152 кг.
Безлонжеронное крыло кессонного типа имело овальную в плане форму. В центроплане крыла располагались два бензобака общей ёмкостью 330 кг. Бензобаки и маслобак бронировались. Консольные части крыла и хвостовая часть фюзеляжа были сделаны отъёмными, что по мысли автора проекта должно было обеспечить возможность быстрой замены повреждённых элементов планера в боевой обстановке. Этому же должна была послужить взаимозаменяемость всех плоскостей хвостового оперения, состоящего из трёх совершенно одинаковых частей. Продольный разъём консолей крыла и стабилизатора должен был позволить быстро производить ремонт повреждений силовых частей крыла. Предусматривалась возможность замены консолей крыла на консоли большей площади с дополнительными пулемётами или бомбодержателями, что позволило бы использовать самолёт в качестве штурмовика или легкого бомбардировщика.
гипотетический вариант окраски истребителя Мельникова (вариант 1940 года) с двигателем М-90
Несколько необычной была схема уборки основных стоек шасси. В выпущенном положении они имели V-образную при виде спереди форму, нагрузка примерно поровну распределялась между наклонной стойкой и подкосом уборки. При убирании подкос с помощью гидравлики втягивался внутрь фюзеляжа, стойка при этом убиралась в крыло, а колесо – в фюзеляж. Предусматривался выпуск шасси под действием собственного веса. В проекте сказано, что схема шасси заимствована от истребителя ДИ-6 конструкции Яценко. Однако, пожалуй, в ещё большей степени она похожа на тот механизм, который можно видеть на американском истребителе Брюстер F2A «Буффало». Полуубирающееся носовое колесо выступало под фюзеляжем на половину своего диаметра. Как явствует из чертежей эскизного проекта, колёса основных стоек могли заменяться лыжами, которые при уборке шасси прижимались к фюзеляжу.
Резюмируя, автор проекта писал:
«Новым решением в этом проекте являются: а) материал (сталь, железо), б) тщательная отделка поверхностей, омываемых воздушным потоком, в) новая схема шасси, и г) реактивные патрубки».
По замыслу Мельникова, реактивные патрубки должны были создавать тягу за счёт реакции выхлопных газов, выравнивать поток в зоне, ометаемой винтом, подогревать воздух, идущий в мотор, и обеспечивать обогрев передней кромки крыла против обледенения.
Истребитель с двигателем М-100
Истребитель с двигателем М-100, в отличие от предыдущего, строился по схеме низкоплана с крылом типа «обратная чайка», с удлинённым фюзеляжем меньшего поперечного сечения. Водяной радиатор был помещён в фюзеляже позади сиденья пилота. Воздух к нему подводился через большой воздухозаборник по левому борту, с выходом на правом борту. Как и в предыдущем случае, предусматривалось шасси с носовым колесом. Основные колёса, как это видно по проектному рисунку, убирались в крыло поворотом к фюзеляжу, носовое колесо было полуубирающимся (выступающая половина колеса закрывалась обтекателем). Самолёт предполагалось вооружить пушкой (ШВАК ?), стреляющей через полый вал воздушного винта, и двумя синхронными крупнокалиберными пулемётами (Березина?). В перегрузочном варианте могли дополнительно устанавливаться два мелкокалиберных пулемёта (ШКАС?) в отъёмных частях крыла.
Свой проект Мельников 20 марта 1940 г. направил на рассмотрение Начальнику Главного управления авиационного снабжения (ГУАС) Красной Армии Алексееву и наркому авиапрома Шахурину. В сопроводительном письме [2] он утверждал, что благодаря хорошей аэродинамике и тщательной отделке поверхности (по технологии, применяемой на автомобиле ЗИС-101) его истребитель с М-90 сможет достичь максимальной скорости 740 км/ч, а с применением реактивного выхлопа – и все 770 км/ч. Если же повысить КПД воздушного винта до 0,84-0,85 вместо принятых тогда 0,78, то скорости, утверждал он, могли бы быть повышены соответственно до 765 км/ч и 790 км/ч. Другие проектные ЛТХ по истребителю с М-90 включали посадочную скорость 121-142 км/ч (с щитками и без), дальность 875 км на 0,9 максимальной скорости.
На варианте с М-100, утверждал Мельников, могут быть получены максимальная и посадочная скорости того же порядка, что и в первом случае (остаётся загадкой, как это можно было сделать при вдвое меньшей мощности двигателя).
Стремясь повысить привлекательность своего проекта, Мельников сделал ставку на предложенный им «скоростной метод проектирования». Его первой составной частью было широкое использование в проекте готовых решений по различным агрегатам, взятых с других самолётов. Например, вооружение взято с самолёта И-28 с некоторым изменением компоновки, юбка капота – «по типу самолёта Беляева» (ДБЛК?) и т.д..
Во-вторых, Мельников предложил вести проектирование узлов и кронштейнов для крепления всех проводок и агрегатов на трёх макетах центральной части фюзеляжа (отдельно для вооружения, мотооборудования, шасси и управления), что упрощало и ускоряло работу.
Проект, направленный в ГУАС КА, был передан на рассмотрение экспертам. 28-29 апреля 1940 года Начальник ГУАС комдив Алексеев и Военком ГУАС бригадный комиссар Князев утвердили Заключение по эскизному проекту скоростного истребителя конструкции Мельникова, поступившее из НИИ ВВС (в некоторых документах проходит как НИИ ГУАС КА). В заключении отмечалось, что автор проекта рассматривает свой самолёт как истребитель-перехватчик и делает упор на его повышенной живучести за счет бронирования наиболее уязвимых мест (кабины летчика, бензомаслобаков, мотора). Указывалось, что особенностью проекта является предлагаемое автором выполнение самолёта целиком из углеродистой стали (Сталь 6 или Д.С.), а также безлонжеронное крыло кессонного типа. Эти особенности
«требуют специального обоснования от конструктора: расчёта на прочность, подробную весовую характеристику проектного самолёта, предполагаемые конструктором меры предохранения самолёта от коррозии».
Эксперты отметили, что
«срок службы самолёта, выполненного из углеродистой стали, без каких-либо специальных мер против коррозирования будет очень низок».
Отделка поверхности крыла по типу автомобиля ЗИС-101 не защитит от коррозии детали, расположенные в крыле и фюзеляже. Отмечались недостатки в конструкции ВМГ. Так, по условиям расстояния от оси вала редуктора до земли диаметр винта может быть не более 2,9 м, тогда как для мотора М-90 потребуется винт диаметром не менее, чем 3,3-3,4 м. Ёмкость баков 330 кг мала и не обеспечивает указанной в проекте дальности 875 км. Система реактивного выхлопа, обогрева кромки крыла и выравнивания потока за винтом
«показана автором проекта крайне схематично».
Содержащаяся в проекте весовая сводка была расценена как не способная служить достаточным обоснованием для указанных конструктором весов.
При оценке проектных лётных данных отмечалось, что максимальная скорость самолёта на расчётной высоте завышена на 11-12% по причине заниженного значения коэффициента лобового сопротивления (Сх min) – 0,0097 (реальна цифра может составить 0,0125-0,0127). Приращение скорости на 30 км/ч за счёт реактивного выхлопа мотора нашли необоснованным. В итоге эксперты сочли, что максимальная скорость вместо проектных 770 км/ч может достичь лишь 670 км/ч на высоте 7000 метров. Реальную дальность полёта оценили в 650 км вместо проектных 875 км.
Специалисты отметили, что представленный А. Мельниковым проект истребителя разработан недостаточно и по своему объёму не соответствует тактико-техническим требованиям к эскизным проектам.
Основные вопросы: материал самолёта – углеродистая сталь и кессонная конструкция крыла – обоснованы недостаточно. Проектная максимальная скорость и дальность завышены.
Заслуживающим внимания был назван предложенный Мельниковым метод отработки размещения оборудования на макетах.
Итоговый вывод Заключения звучал так:
«1.Проект скоростного истребителя конструкции Мельникова утвержден быть не может, так как разработан недостаточно.
2. Считать необходимым поставить в ЦАГИ работу о возможности применения углеродистой стали как основного материала для постройки современных скоростных самолетов».
Заключение подписали Начальник НИИ ГУАС КА дивинженер Филин и военком НИИ ГУАС КА полковой комиссар Холопцев. [3]
В НКАП эскизный проект истребителя Мельникова был рассмотрен постоянной комиссией по эскизным проектам (комиссия Юрьева) на заседании, которое, по версии в известной хронике Родионова, состоялось 26 апреля 1940 г. (в документах РГАЭ протокол упомянутого заседания постоянной комиссии НКАП по эскизным проектам датирован 23 мая 1940 г.).
Предваряя своё заключение изложением данных экспертизы, проведённой ранее в НИИ ГУАС КА (см. выше) и специалистами 11-го Главного Управления НКАП, комиссия отметила, что эксперты сочли проектные лётные характеристики завышенными. Так, максимальная скорость по оценке экспертов должна была составить 670-690 км/ч на высоте 7000 м против 740-770 км/ч на высоте 7800 м по проекту. Посадочная скорость была оценена экспертами в 140-150 км/ч (а не 121-142 км/ч, как по проекту). Дальность эксперты оценили в 600-650 км против 875 по проекту. Полётный вес в 2550 кг они сочли заниженным и определили его как 3000 кг.
(Нужно сказать, что и с внесённой экспертами поправкой скорость самолёта выглядела совсем неплохо -как известно, такие скорости советскими истребителями были достигнуты только спустя несколько лет, к концу Великой Отечественной войны).
Были процитированы и такие выводы экспертов:
«Вес занижен, данные преувеличены из-за заниженности коэффициентов сопротивления. Проект не доработан и принят быть не может. Отмечалось также, что эксперт Локтев, проверявший расчёты, высказал мнение, что имеется возможность построить самолёт из мягкой стали марки Д.С., получив нужную прочность, и уложиться в нормативный вес конструкции». [4]
Свои собственные выводы комиссия сформулировала так:
«Т.к. основной задачей предложенного проекта является не аэродинамика самолёта, а его конструкция, изготовленная из мягкой стали, то следует считать целесообразным до постройки самолёта проверить конструкцию предварительными экспериментами, а именно:
1. Изготовить отдельный кессонный отсек крыла и провести статические и динамические испытания его.
2. В случае получения положительных результатов, изготовить крыло для самолёта СК-ЦАГИ и после проведения с ним испытаний в лаборатории (статические и динамические) установить на самолёт для испытания в полёте.
Средства на эту работу использовать по линии отдела изобретений НКАП». [5]
(СК-ЦАГИ, он же СК-1, был создан группой специалистов ЦАГИ под руководством главного конструктора М. Р. Бисновата как экспериментальный самолёт для исследования в реальном полёте крыльев с различными профилями и динамическими свойствами; испытывался с начала 1939 года).
Мельников был проинформирован о решении комиссии НКАП (протокол комиссии НКАП был утверждён зам. наркома А. С. Яковлевым) и о содержании отзыва эксперта Локтева. [6]
Итак, проект был фактически отклонён в мягкой форме, однако формально была оставлена возможность его частичной реализации в последующем. Начальнику Отдела Изобретений НКАП Гореву было предложено рассмотреть представленную Мельниковым смету финансирования рекомендованных комиссией работ. При этом зам. Начальника 7-го Главного Управления НКАП С.Шишкин высказал мнение, что
«калькуляция слишком велика, для изготовления отсека её нужно переделать». [7]
Неясно, велись ли на практике указанные выше работы. Возможно, до постройки опытного кессонного отсека крыла дело так и не дошло, не говоря уже об испытании реального цельностального крыла на самолёте СК-ЦАГИ.
Конструкции самолётов, основанные на преимущественном применении стали, на том этапе так и не получили хода. Однако накануне и в ходе Великой Отечественной войны стальные (хромансилевые) трубы нашли применение в сварных каркасах фюзеляжей истребителей Яковлева и Микояна, а броневая сталь – в бронекорпусах штурмовиков Ил-2, входивших в силовой набор планера.
В послевоенные годы на многие десятилетия место основного конструкционного материала в отечественном (как и мировом) авиастроении заняли алюминиевые сплавы. Однако спустя значительный срок, когда скорости самолётов приблизились к отметке М=3 и подошли к тепловому барьеру, сталь вновь оказалась востребованной. При создании самолёта МиГ-25, рассчитанного на три скорости звука, А.И.Микоян принимает решение: самолёт будет изготовлен из свариваемой стали. В МиГ-25 распределение конструкционных материалов сложилось так: конструкции из стали – 80% массы планера; титановые сплавы – 8%; элементы конструкции из жаропрочного алюминиевого сплава Д-19 – 11%. Сталь взяла реванш на этом знаменитом самолёте, создание которого составило целый этап в развитии отечественной авиационной техники. Созданный позже перехватчик МиГ-31 тоже впечатляет масштабом применения стали, которая составляет по весу 50% конструкции планера (16% приходится на титан и 33% – на алюминиевые сплавы).
Источники
В статье использованы следующие материалы РГАЭ:
Автор выражает признательность Е. Гордону за помощь в подготовке статьи.
источник: Сергей Комиссаров ««Железный» истребитель Мельникова» «Крылья Родины» 3-4.2014, стр.120-125
